Subito dopo il Big Bang – circa 13,8 miliardi di anni fa – l’universo era dominato da temperature e densità inimmaginabili. Tuttavia, espandendosi, già dopo pochi secondi si era raffreddato abbastanza da permettere la formazione dei primi elementi, principalmente idrogeno ed elio. A quell’epoca però gli elementi erano ancora completamente ionizzati. Ci sono voluti quasi 380mila anni perché la temperatura dell’universo si abbassasse abbastanza da permettere la formazione di atomi neutri attraverso la ricombinazione con gli elettroni liberi. È stato solo allora che si aperta la strada alle prime reazioni chimiche.
La più antica molecola esistente è lo ione idruro di elio (HeH+), formato da un atomo neutro di elio e da un protone (un nucleo di idrogeno ionizzato). La formazione di questa molecola segna l’inizio di una serie di reazioni chimiche che porteranno alla sintesi dell’idrogeno molecolare (H2), la molecola più abbondante nell’universo.
Schema e livello energetico della reazione studiata dello ione idruro di elio con il deuterio. Si tratta di una reazione rapida e senza barriere. Sullo sfondo, la nebulosa planetaria Ngc 7027, con l’idrogeno molecolare visibile in rosso. Crediti: Mpik; W. B. Latter (Sirtf Science Center/Caltech) e Nasa
Alla ricombinazione di cui sopra seguì la cosiddetta età oscura della cosmologia: sebbene l’universo fosse ormai divenuto trasparente, non esistevano ancora “oggetti” in grado di emettere luce. Trascorsero diverse centinaia di milioni di anni prima che si formassero le prime stelle.
In questa prima fase di vita dell’universo, molecole semplici come HeH⁺ e H2 si sono rivelate essenziali per la formazione delle prime stelle. Affinché la nube di gas dalla quale si forma una protostella collassi fino al punto in cui può iniziare la fusione nucleare, il calore deve essere dissipato. Ciò avviene attraverso collisioni che eccitano atomi e molecole, che poi emettono questa energia sotto forma di fotoni. Al di sotto di circa 10mila gradi Celsius, tuttavia, questo processo diventa inefficace per gli atomi di idrogeno, che all’epoca erano dominanti. Un ulteriore raffreddamento è potuto avvenire solo attraverso molecole in grado di emettere energia aggiuntiva attraverso rotazioni e vibrazioni.
Grazie al suo pronunciato momento di dipolo, lo ione HeH⁺ è particolarmente efficiente a queste basse temperature ed è stato a lungo considerato un candidato potenzialmente importante per il raffreddamento nella formazione delle prime stelle. Di conseguenza, la concentrazione di ioni idruro di elio nell’universo può avere avuto un impatto significativo sull’efficacia della formazione delle prime stelle.
Durante questo periodo, le collisioni con gli atomi di idrogeno hanno costituito un’importante percorso di degradazione per l’HeH⁺, portando alla formazione di un atomo neutro di elio e uno ione H2⁺, che successivamente hanno reagito con un altro atomo di H per formare una molecola neutra di H2 e un protone, ossia portando alla formazione dell’idrogeno molecolare.
Ora, per la prima volta, i ricercatori del Max-Planck-Institut für Kernphysik (Mpik) di Heidelberg sono riusciti a ricreare questa reazione in condizioni simili a quelle dell’universo primordiale. Hanno studiato la reazione dell’HeH⁺ con il deuterio, un isotopo dell’idrogeno che presenta un neutrone in più nel nucleo atomico, insieme a un protone. Quando l’HeH⁺ reagisce con il deuterio, al posto dell’H2⁺ si forma uno ione HD⁺, accanto all’atomo di elio neutro.
L’esperimento è stato condotto presso il Cryogenic Storage Ring (Csr) dell’Mpik di Heidelberg, uno strumento unico al mondo per studiare le reazioni molecolari e atomiche in condizioni simili a quelle spaziali. A questo scopo, gli ioni HeH⁺ sono stati immagazzinati nell’anello di accumulo ionico di 35 metri di circonferenza per un massimo di 60 secondi a pochi kelvin (-267 °C) e sono stati sovrapposti a un fascio di atomi neutri di deuterio. Regolando le velocità relative dei due fasci di particelle, gli scienziati hanno potuto studiare come varia il tasso di collisione con l’energia di collisione, che è direttamente correlata alla temperatura.
Il Cryogenic Storage Ring (Csr) dell’Mpik di Heidelberg. Crediti: Max-Planck-Institut für Kernphysik
I ricercatori hanno scoperto che, contrariamente a quanto previsto in precedenza, la velocità di reazione non rallenta al diminuire della temperatura, ma rimane pressoché costante. «Le teorie precedenti prevedevano una diminuzione significativa della probabilità di reazione a basse temperature, ma non siamo riusciti a riscontrarlo né con l’esperimento né con i nuovi calcoli teorici dei nostri colleghi», spiega Holger Kreckel dell’Mpik. «Le reazioni dell’HeH⁺ con l’idrogeno neutro e il deuterio sembrano quindi essere state molto più importanti per la chimica dell’universo primordiale di quanto ipotizzato in precedenza», conclude.
Questa osservazione è coerente con le scoperte di un gruppo di fisici teorici guidati da Yohann Scribano, che ha identificato un errore nel calcolo della superficie di energia potenziale utilizzata in tutti i calcoli precedenti per questa reazione. I nuovi calcoli, che utilizzano una migliore superficie di energia potenziale, sono ora strettamente in linea con l’esperimento della Rsi.
Poiché le concentrazioni di molecole come l’HeH⁺ e l’idrogeno molecolare (H2 o HD) hanno giocato un ruolo importante nella formazione delle prime stelle, questo risultato ci avvicina alla soluzione del mistero della loro formazione.
Per saperne di più:
- Leggi su Astronomy and Astrophysics l’articolo “Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH+ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts” di F. Grussie, J. Sahoo, Y. Scribano, D. Bossion, L. Berger, M. Grieser, L. W. Isberner, Á. Kálosi, O. Novotný, D. Paul, A. Znotins, X. Urbain e H. Kreckel